Международная группа исследователей обнаружила ранее неизвестную популяцию слияний чёрных дыр, которая долгое время оставалась скрытой от наблюдений. Учёные сравнивают это открытие с обнаружением древней цивилизации, о существовании которой никто не подозревал. Новые данные позволяют по-новому взглянуть на процессы формирования чёрных дыр и историю развития Вселенной на протяжении миллиардов лет.
Открытие стало возможным благодаря анализу данных гравитационно-волновых обсерваторий, которые регистрируют колебания пространства-времени, возникающие при столкновениях чрезвычайно массивных объектов. Исследование показало, что значительная часть подобных событий может происходить в условиях, которые ранее практически не учитывались в астрофизических моделях.
Новая эпоха астрономии
До недавнего времени астрономы изучали Вселенную главным образом с помощью света различных диапазонов — от радиоволн до гамма-излучения. Однако в 2015 году произошло событие, которое открыло совершенно новое направление исследований.
Обсерватория LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны — слабые колебания пространства-времени, предсказанные ещё Альбертом Эйнштейном. Их источником стало столкновение двух чёрных дыр.
Это открытие фактически дало человечеству новый способ наблюдения за космосом. Если традиционные телескопы позволяют видеть объекты благодаря излучению, то гравитационно-волновые детекторы способны регистрировать сами последствия движения огромных масс.
С тех пор число обнаруженных слияний чёрных дыр постоянно растёт. Каждое новое событие помогает учёным лучше понимать происхождение этих загадочных объектов.
Откуда берутся чёрные дыры
Большинство известных чёрных дыр звёздной массы образуются после гибели массивных звёзд.
Когда звезда исчерпывает запасы топлива для термоядерных реакций, её внутреннее давление перестаёт компенсировать силу гравитации. Ядро начинает стремительно сжиматься, а внешние слои выбрасываются в окружающее пространство.
Если остаток обладает достаточной массой, возникает чёрная дыра — область пространства, из которой не может вырваться даже свет.
Однако образование отдельных чёрных дыр — лишь часть истории. Многие из них существуют в двойных системах. Со временем такие объекты могут постепенно сближаться и в конечном итоге сливаться.
Именно эти события фиксируют современные гравитационно-волновые обсерватории.
Загадка необычно массивных объектов
После первых лет наблюдений исследователи столкнулись с неожиданной проблемой.
Некоторые обнаруженные чёрные дыры обладали массами, которые плохо согласовывались с существующими теориями звёздной эволюции. Согласно ряду моделей, определённые диапазоны масс должны встречаться крайне редко или вовсе отсутствовать.
Тем не менее наблюдения показывали наличие объектов, которые, казалось, нарушали эти прогнозы.
Возник вопрос: каким образом появились столь массивные чёрные дыры?
Для объяснения предлагались различные варианты. Одни исследователи предполагали существование необычных звёзд-предшественников. Другие связывали явление с особенностями ранней Вселенной. Однако постепенно стала набирать популярность ещё одна идея.
Чёрные дыры могут расти через повторные слияния
Согласно современным представлениям, чёрная дыра не обязательно появляется только после смерти звезды.
Если две чёрные дыры сталкиваются и объединяются, образуется новый объект большей массы. Если затем он снова участвует в столкновении, масса увеличивается ещё сильнее.
Такой процесс может повторяться многократно.
Теоретически это позволяет создавать объекты, значительно превосходящие по массе обычные звёздные чёрные дыры.
Однако долгое время оставалось непонятным, где именно могут происходить подобные повторные слияния.
Для этого необходимы чрезвычайно плотные космические среды, в которых большое количество чёрных дыр находится на относительно небольшом расстоянии друг от друга.
Космические «города» чёрных дыр
Новое исследование указывает на существование особых регионов, где условия для многократных столкновений возникают естественным образом.
Речь идёт о плотных звёздных скоплениях и центральных областях галактик, где гравитационные взаимодействия происходят особенно интенсивно.
В таких местах чёрные дыры могут постоянно обмениваться энергией, менять орбиты и образовывать новые пары.
В результате вероятность повторных столкновений значительно возрастает.
Если сравнивать обычную галактику с огромной страной, то подобные области можно представить как густонаселённые мегаполисы, где взаимодействия между объектами происходят гораздо чаще, чем на периферии.
Именно здесь, по мнению исследователей, и скрывается обнаруженный «потерянный мир» слияний.
Следы древней истории Вселенной
Особый интерес вызывает тот факт, что многие подобные процессы могли происходить на протяжении миллиардов лет.
Каждое слияние оставляет после себя новую чёрную дыру с уникальными характеристиками. Со временем формируется сложная генеалогическая цепочка, в которой один объект становится результатом нескольких предыдущих объединений.
По сути, современные гравитационно-волновые сигналы позволяют восстанавливать историю таких событий.
Учёные сравнивают эту работу с археологическими исследованиями. Археолог изучает остатки древних поселений и по ним реконструирует прошлое цивилизации. Астрофизики делают нечто похожее, анализируя параметры слияний чёрных дыр.
Каждое зарегистрированное событие содержит информацию о предыдущих поколениях объектов, участвовавших в космической эволюции.
Почему открытие сравнивают с обнаружением древней цивилизации
Авторы исследования используют столь яркое сравнение не случайно.
До появления современных гравитационно-волновых детекторов существование подобных популяций чёрных дыр оставалось практически незаметным. Эти объекты почти не излучают свет и редко выдают своё присутствие традиционными методами наблюдений.
Фактически астрономы долгое время видели лишь отдельные фрагменты общей картины.
Теперь становится понятно, что за ними скрывается гораздо более масштабная система процессов, включающая многократные слияния и сложные эволюционные цепочки.
Подобно тому как археологи могут внезапно обнаружить следы неизвестной культуры, астрофизики получили свидетельства существования ранее скрытого мира взаимодействующих чёрных дыр.
Новые вопросы для науки
Открытие не только помогает объяснить происхождение многих массивных чёрных дыр, но и ставит новые задачи.
Исследователям предстоит выяснить, насколько распространены такие процессы во Вселенной. Необходимо определить, какие именно среды наиболее благоприятны для повторных слияний и какую роль они играют в формировании более крупных чёрных дыр.
Кроме того, учёных интересует связь между этими объектами и сверхмассивными чёрными дырами, находящимися в центрах галактик.
Некоторые модели допускают, что многократные слияния могли внести значительный вклад в рост подобных космических гигантов на ранних этапах истории Вселенной.
Будущее гравитационно-волновой астрономии
В ближайшие годы возможности наблюдений значительно расширятся.
Модернизация существующих детекторов позволит регистрировать больше событий и получать более точные данные о параметрах сталкивающихся объектов. Кроме того, разрабатываются новые наземные и космические обсерватории, которые смогут фиксировать ещё более слабые гравитационные сигналы.
Чем больше слияний будет обнаружено, тем детальнее астрономы смогут восстановить скрытую историю формирования чёрных дыр.
Новое исследование показывает, что Вселенная по-прежнему хранит множество сюрпризов. Даже объекты, которые невозможно увидеть напрямую, способны рассказать удивительную историю о процессах, происходивших миллиарды лет назад. И, возможно, обнаруженный сегодня «потерянный мир» слияний чёрных дыр является лишь первой главой гораздо более масштабного открытия, которое изменит наше понимание космической эволюции.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
